સિલિકોન (Si) નું રસાયણશાસ્ત્ર - પ્રેક્ટિસ પ્રશ્નો

બહુવિકલ્પી પ્રશ્નો (MCQs)

પ્રશ્ન 1

સિલિકોન્સ વિશે નીચેનામાંથી કયું વિધાન ખોટું છે?

A) તેઓ R₂SiO પુનરાવર્તિત એકમો ધરાવતા પોલિમર છે. B) તેઓ સામાન્ય રીતે પ્રકૃતિમાં જળવિરોધી હોય છે. C) તેઓ થર્મલી સ્થિર અને રાસાયણિક હુમલા સામે પ્રતિરોધક હોય છે. D) તેમની કરોડરજ્જુમાં મજબૂત Si=Si દ્વિબંધ હોય છે.

ઉકેલ:

સાચો જવાબ: D)

સમજૂતી: સિલિકોન્સ એ (R₂SiO)n સામાન્ય સૂત્રવાળા ઓર્ગેનોસિલિકોન પોલિમર છે, જ્યાં R એ આલ્કાઇલ અથવા એરાઇલ સમૂહ છે. તેમની કરોડરજ્જુ Si=Si દ્વિબંધને બદલે Si-O-Si જોડાણની બનેલી હોય છે. Si-O બંધ ખૂબ જ મજબૂત હોય છે, જે તેમની થર્મલ સ્થિરતા અને રાસાયણિક નિષ્ક્રિયતામાં ફાળો આપે છે. બિન-ધ્રુવીય આલ્કાઇલ અથવા એરાઇલ સમૂહોની હાજરી તેમને જળવિરોધી બનાવે છે.

પ્રશ્ન 2

જ્યારે સિલિકા (SiO₂) હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ (HF) સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, ત્યારે બનતું ઉત્પાદન છે:

A) SiF₄ B) H₂SiF₆ C) SiF₄ અને H₂O D) SiF₄ અને H₂SiF₆

ઉકેલ:

સાચો જવાબ: C)

સમજૂતી: સિલિકા (SiO₂) અત્યંત સ્થિર સંયોજન છે. તે હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સિલિકોન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ અને પાણી બનાવે છે. SiO₂(s) + 4HF(aq) \rightarrow SiF₄(g) + 2H₂O(l) SiF₄ પાણીની હાજરીમાં HF સાથે આગળ પ્રતિક્રિયા કરીને ફ્લોરોસિલિકિક એસિડ (H₂SiF₆) બનાવી શકે છે, પરંતુ SiO₂ અને HF ની પ્રતિક્રિયામાંથી બનતું પ્રાથમિક અને પ્રારંભિક ઉત્પાદન SiF₄ અને પાણી છે. પ્રશ્ન “બનતું ઉત્પાદન” પૂછે છે, જે સીધી પ્રતિક્રિયા સૂચવે છે.

પ્રશ્ન 3

આપેલા સંયોજનોમાંથી, કયું કાર્બોરન્ડમ તરીકે ઓળખાય છે?

A) SiC B) SiO₂ C) SiH₄ D) SiF₄

ઉકેલ:

સાચો જવાબ: A)

સમજૂતી: કાર્બોરન્ડમ એ સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC) નું સામાન્ય નામ છે. તે એક અત્યંત સખત પદાર્થ છે, જેનો ઉપયોગ તેની ઉચ્ચ થર્મલ સ્થિરતાને કારણે ઘર્ષક તરીકે અને રિફ્રેક્ટરી સામગ્રીમાં વારંવાર થાય છે. SiO₂ સિલિકા છે, SiH₄ સિલેન છે, અને SiF₄ સિલિકોન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ છે.

અભિધારણા-કારણ પ્રશ્નો

પ્રશ્ન 4

અભિધારણા (A): સિલિકોન સરળતાથી સ્થિર pπ-pπ બહુબંધ બનાવતું નથી. કારણ (R): સિલિકોનના પરમાણુ ઓર્બિટલ્સ કાર્બનના પરમાણુ ઓર્બિટલ્સ કરતાં ઘણા મોટા અને વધુ ફેલાયેલા હોય છે, જે pπ-pπ ઓવરલેપને બિનઅસરકારક બનાવે છે.

A) A અને R બંને સાચા છે, અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે. B) A અને R બંને સાચા છે, પરંતુ R એ A ની સાચી સમજૂતી નથી. C) A સાચું છે, પરંતુ R ખોટું છે. D) A ખોટું છે, પરંતુ R સાચું છે. E) A અને R બંને ખોટા છે.

ઉકેલ:

સાચો જવાબ: A)

સમજૂતી: અભિધારણા (A) સાચી છે. કાર્બનથી વિપરીત, જે સરળતાથી સ્થિર C=C અને C=O pπ-pπ બંધ બનાવે છે, સિલિકોન સામાન્ય રીતે એકલ બંધ બનાવે છે. કારણ (R) પણ સાચું છે અને અભિધારણા (A) માટે સાચી સમજૂતી છે. કાર્બન (પિરિયડ 2 તત્વ) ની સરખામણીમાં સિલિકોનના મોટા પરમાણુ કદ (પિરિયડ 3 તત્વ) ને કારણે, તેના 3p ઓર્બિટલ્સ વધુ ફેલાયેલા હોય છે. આ pπ-pπ બંધ માટે જરૂરી નબળા અને બિનઅસરકારક લેટરલ ઓવરલેપ તરફ દોરી જાય છે, જે સિલિકોન સાથે બહુબંધને ખૂબ ઓછા સ્થિર બનાવે છે. તેના બદલે, સિલિકોન મજબૂત Si-O એકલ બંધ અથવા વિસ્તૃત Si-Si નેટવર્ક બનાવવાનું પસંદ કરે છે.

પ્રશ્ન 5

અભિધારણા (A): સિલિકોન્સ પ્રકૃતિમાં પાણી-પ્રતિરોધક (જળવિરોધી) હોય છે. કારણ (R): સિલિકોન્સમાં સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે જોડાયેલા આલ્કાઇલ સમૂહો બિન-ધ્રુવીય હોય છે અને બહારની તરફ પ્રક્ષેપિત થાય છે, જે સપાટીને બિન-ધ્રુવીય બનાવે છે.

A) A અને R બંને સાચા છે, અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે. B) A અને R બંને સાચા છે, પરંતુ R એ A ની સાચી સમજૂતી નથી. C) A સાચું છે, પરંતુ R ખોટું છે. D) A ખોટું છે, પરંતુ R સાચું છે. E) A અને R બંને ખોટા છે.

ઉકેલ:

સાચો જવાબ: A)

સમજૂતી: અભિધારણા (A) સાચી છે. સિલિકોન્સ ખરેખર જળવિરોધી હોય છે, એટલે કે તેઓ પાણીને ભગાડે છે. આ ગુણધર્મ તેમને વોટરપ્રૂફિંગ એજન્ટો અને સીલંટ જેવી વિવિધ એપ્લિકેશન્સમાં ઉપયોગી બનાવે છે. કારણ (R) પણ સાચું છે અને અભિધારણા (A) માટે સાચી સમજૂતી પૂરી પાડે છે. સિલિકોન્સમાં Si-O-Si કરોડરજ્જુ હોય છે, પરંતુ સિલિકોન પરમાણુઓ કાર્બનિક આલ્કાઇલ (R) અથવા એરાઇલ સમૂહો સાથે પણ બંધાયેલા હોય છે. આ કાર્બનિક સમૂહો બિન-ધ્રુવીય હોય છે. જ્યારે સિલિકોન્સ બલ્ક સામગ્રીમાં બને છે, ત્યારે આ બિન-ધ્રુવીય R સમૂહો ધ્રુવીય Si-O કોરને અસરકારક રીતે ઘેરી લે છે, જે બિન-ધ્રુવીય, પાણી-પ્રતિરોધક સપાટી રજૂ કરે છે.

ટૂંકા જવાબના પ્રશ્નો

પ્રશ્ન 6

સિલિકોન્સની તૈયારી અને તેના બે મહત્વપૂર્ણ ઉપયોગો સમજાવો.

આદર્શ જવાબ:

સિલિકોન્સની તૈયારી: સિલિકોન્સ એ ઓર્ગેનોસિલિકોન પોલિમર છે જે આલ્કાઇલ અથવા એરાઇલ સબસ્ટિટ્યુટેડ ક્લોરોસિલેન્સ, જેમ કે RSiCl₃, R₂SiCl₂, R₃SiCl, અથવા તેમના મિશ્રણમાંથી તૈયાર કરવામાં આવે છે.

1. પ્રત્યક્ષ સંશ્લેષણ: આલ્કાઇલ હેલાઇડ્સ (દા.ત., CH₃Cl) સિલિકોન સાથે ઉચ્ચ તાપમાને (લગભગ 570 K) કોપર પાવડરની હાજરીમાં ઉત્પ્રેરક તરીકે પ્રતિક્રિયા કરીને વિવિધ મિથાઇલ-સબસ્ટિટ્યુટેડ ક્લોરોસિલેન્સ બનાવે છે. 2CH₃Cl + Si \xrightarrow\{Cu, 570K\} (CH₃)₂SiCl₂ (ડાયમિથાઈલ ડાયક્લોરોસિલેન) CH₃SiCl₃ અને (CH₃)₃SiCl જેવા અન્ય ઉત્પાદનો પણ બને છે.
2. જળવિભાજન: ક્લોરોસિલેન્સ જળવિભાજનમાંથી પસાર થઈને સિલાનોલ્સ બનાવે છે, જે અસ્થિર હોય છે અને સરળતાથી કન્ડેન્સેશન પોલિમરાઇઝેશનમાંથી પસાર થાય છે. (CH₃)₂SiCl₂ + 2H₂O \rightarrow (CH₃)₂Si(OH)₂ + 2HCl (ડાયમિથાઈલ સિલાનોલ)
3. પોલિમરાઇઝેશન: સિલાનોલ્સ પાણીના અણુઓને દૂર કરીને રેખીય, ચક્રીય અથવા ક્રોસ-લિંક્ડ પોલિમરીક સિલિકોન્સ બનાવવા માટે કન્ડેન્સ થાય છે. n (CH₃)₂Si(OH)₂ \rightarrow [-O-Si(CH₃)₂-]n + nH₂O (રેખીય સિલિકોન)

સિલિકોન્સના ઉપયોગો:

1. વોટરપ્રૂફિંગ એજન્ટો: તેમના જળવિરોધી સ્વભાવ અને ઓછી સપાટીના તાણને કારણે, સિલિકોન્સનો ઉપયોગ કાપડ, કાગળ અને ચણતરને વોટરપ્રૂફ કરવા માટે થાય છે.
2. સીલંટ અને એડહેસિવ્સ: તેઓ ઉત્તમ સીલંટ છે, જેનો ઉપયોગ બાંધકામ, ઓટોમોટિવ અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉદ્યોગોમાં તેમની લવચીકતા, થર્મલ સ્થિરતા અને એડહેસિવ ગુણધર્મોને કારણે થાય છે.
3. લુબ્રિકન્ટ્સ: સિલિકોન તેલનો ઉપયોગ ઉચ્ચ-તાપમાન લુબ્રિકન્ટ્સ તરીકે થાય છે કારણ કે તેમની થર્મલ સ્થિરતા અને તાપમાન સાથે ઓછી સ્નિગ્ધતામાં ફેરફાર થાય છે.
4. કોસ્મેટિક્સ અને મેડિકલ ઇમ્પ્લાન્ટ્સ: તેમની બાયોકોમ્પેટિબિલિટી અને નિષ્ક્રિયતા તેમને કોસ્મેટિક્સ, પર્સનલ કેર પ્રોડક્ટ્સ અને વિવિધ મેડિકલ ઇમ્પ્લાન્ટ્સ (દા.ત., બ્રેસ્ટ ઇમ્પ્લાન્ટ્સ, પેસમેકર્સ) માં ઉપયોગ માટે યોગ્ય બનાવે છે.

પ્રશ્ન 7

સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂) એ સહસંયોજક નેટવર્ક ઘન છે, જ્યારે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) એ એક અલગ પરમાણુ ઘન છે. બંધારણ અને ગુણધર્મોમાં આ તફાવત સમજાવો.

આદર્શ જવાબ:

SiO₂ અને CO₂ ના બંધારણમાં મૂળભૂત તફાવત કાર્બન અને સિલિકોનનો સમાવેશ કરતા pπ-pπ બંધનની વિશિષ્ટ પ્રકૃતિમાંથી ઉદ્ભવે છે.

1. કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂):

   • કાર્બન એ પિરિયડ 2 માં એક નાનો પરમાણુ છે. તે ઓક્સિજન સાથે મજબૂત અને સ્થિર pπ-pπ બંધ બનાવી શકે છે.
   • CO₂ માં, કાર્બન બે ઓક્સિજન પરમાણુઓ (O=C=O) સાથે બે દ્વિબંધ બનાવે છે. આના પરિણામે એક અલગ, રેખીય, ટ્રાયટોમિક પરમાણુ બને છે.
   • આ CO₂ પરમાણુઓ નબળા આંતરપરમાણુ વાન ડેર વાલ્સ બળો દ્વારા એકસાથે જોડાયેલા હોય છે.
   • પરિણામે, CO₂ ઓરડાના તાપમાને ગેસ છે અને નીચા તાપમાને પરમાણુ ઘન છે, જેમાં ખૂબ ઓછું ગલનબિંદુ અને ઉત્કલનબિંદુ હોય છે.

2. સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂):

   • સિલિકોન એ પિરિયડ 3 માં એક મોટો પરમાણુ છે. તેના મોટા પરમાણુ કદ અને વધુ ફેલાયેલા 3p ઓર્બિટલ્સને કારણે, ઓક્સિજન સાથે pπ-pπ ઓવરલેપ કાર્બનની તુલનામાં ઘણું ઓછું અસરકારક અને ઓછું સ્થિર હોય છે.
   • દ્વિબંધ બનાવવાને બદલે, સિલિકોન ચાર મજબૂત Si-O એકલ બંધ બનાવવાનું પસંદ કરે છે.
   • SiO₂ (દા.ત., ક્વાર્ટઝ) માં, દરેક સિલિકોન પરમાણુ ચાર ઓક્સિજન પરમાણુઓ સાથે ટેટ્રાહેડ્રલી બંધાયેલો હોય છે, અને દરેક ઓક્સિજન પરમાણુ બે સિલિકોન પરમાણુઓ દ્વારા વહેંચાયેલો હોય છે. આ એક વિશાળ, ત્રિ-પરિમાણીય સહસંયોજક નેટવર્ક બંધારણ (અથવા મેક્રોમોલેક્યુલ) બનાવે છે.
   • આ નેટવર્કને તોડવા માટે મજબૂત સહસંયોજક બંધોને દૂર કરવા માટે નોંધપાત્ર માત્રામાં ઊર્જાની જરૂર પડે છે.
   • તેથી, SiO₂ એક સખત, ઉચ્ચ-ગલનબિંદુ ઘન છે જે પાણીમાં અદ્રાવ્ય અને સામાન્ય રીતે અપ્રતિક્રિયાશીલ છે.

સારાંશમાં, કાર્બનની સ્થિર pπ-pπ બંધ બનાવવાની ક્ષમતા અલગ CO₂ પરમાણુઓ તરફ દોરી જાય છે, જ્યારે સિલિકોનની તે અસરકારક રીતે કરવાની અક્ષમતા SiO₂ માટે વિસ્તૃત સહસંયોજક નેટવર્ક બંધારણમાં પરિણમે છે.

ઉચ્ચ-વિચાર કૌશલ્ય (HOTS) પ્રશ્ન

પ્રશ્ન 8

સિલિકોન એક સેમિકન્ડક્ટર છે અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. ડોપિંગ દ્વારા શુદ્ધ સિલિકોનની વિદ્યુત વાહકતાને કેવી રીતે નાટકીય રીતે બદલી શકાય છે તે સમજાવો, n-પ્રકાર અને p-પ્રકારના બંને સેમિકન્ડક્ટરનું વર્ણન કરો.

વિગતવાર રાસાયણિક સમજૂતી:

શુદ્ધ સિલિકોન એક આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર છે, એટલે કે ઓરડાના તાપમાને તેની વિદ્યુત વાહકતા ખૂબ ઓછી હોય છે. તેની વાહકતા તાપમાન સાથે વધે છે કારણ કે વધુ ઇલેક્ટ્રોન સહસંયોજક બંધોમાંથી મુક્ત થવા અને વાહકતા બેન્ડમાં જવા માટે પૂરતી ઊર્જા મેળવે છે, ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ બનાવે છે. જોકે, વ્યવહારિક ઇલેક્ટ્રોનિક એપ્લિકેશન્સ માટે, તેની વાહકતાને ચોક્કસપણે નિયંત્રિત કરવાની જરૂર છે, જે ડોપિંગ નામની પ્રક્રિયા દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે.

ડોપિંગમાં શુદ્ધ સિલિકોનમાં અશુદ્ધિ તત્વની થોડી માત્રા ઉમેરવાનો સમાવેશ થાય છે. આ અશુદ્ધિઓ ઇલેક્ટ્રોનનો વધારા અથવા “હોલ્સ” (ખાલી ઇલેક્ટ્રોન સાઇટ્સ) નો વધારા બનાવે છે, જેનાથી વાહકતા વધે છે.

1. n-પ્રકાર સેમિકન્ડક્ટર (નકારાત્મક-પ્રકાર):

   • ડોપન્ટ: શુદ્ધ સિલિકોન (જૂથ 14 તત્વ, 4 સંયોજક ઇલેક્ટ્રોન) ને જૂથ 15 માંથી પેન્ટાવેલેન્ટ અશુદ્ધિ જેવી કે ફોસ્ફરસ (P), આર્સેનિક (As), અથવા એન્ટિમની (Sb) વડે ડોપ કરવામાં આવે છે.
   • પ્રક્રિયા: જ્યારે એક પેન્ટાવેલેન્ટ પરમાણુ (દા.ત., P) ક્રિસ્ટલ લેટિસમાં સિલિકોન પરમાણુનું સ્થાન લે છે, ત્યારે તેના પાંચ સંયોજક ઇલેક્ટ્રોનમાંથી ચાર આસપાસના ચાર સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે સહસંયોજક બંધ બનાવે છે. પાંચમો સંયોજક ઇલેક્ટ્રોન ફોસ્ફરસ પરમાણુ દ્વારા ઢીલો પકડી રાખવામાં આવે છે.
   • ચાર્જ કેરિયર્સ: આ વધારાનો ઇલેક્ટ્રોન બંધનમાં સામેલ નથી અને વાહકતા બેન્ડમાં જવા માટે ખૂબ ઓછી ઊર્જાની જરૂર પડે છે. તે એક મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન બની જાય છે, જે એક નકારાત્મક ચાર્જ કેરિયર છે. અશુદ્ધિ પરમાણુઓને દાતા અશુદ્ધિઓ કહેવામાં આવે છે કારણ કે તેઓ ઇલેક્ટ્રોનનું “દાન” કરે છે.
   • વાહકતા: n-પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટરમાં, ઇલેક્ટ્રોન બહુમતી ચાર્જ કેરિયર્સ હોય છે, અને હોલ્સ લઘુમતી ચાર્જ કેરિયર્સ હોય છે. વાહકતા મુખ્યત્વે આ વધારાના મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની હિલચાલને કારણે હોય છે.

2. p-પ્રકાર સેમિકન્ડક્ટર (સકારાત્મક-પ્રકાર):

   • ડોપન્ટ: શુદ્ધ સિલિકોન ને જૂથ 13 માંથી ટ્રાયવેલેન્ટ અશુદ્ધિ જેવી કે બોરોન (B), એલ્યુમિનિયમ (Al), અથવા ગેલિયમ (Ga) વડે ડોપ કરવામાં આવે છે.
   • પ્રક્રિયા: જ્યારે એક ટ્રાયવેલેન્ટ પરમાણુ (દા.ત., B) ક્રિસ્ટલ લેટિસમાં સિલિકોન પરમાણુનું સ્થાન લે છે, ત્યારે તે તેના ત્રણ સંયોજક ઇલેક્ટ્રોનનો ઉપયોગ આસપાસના ચાર સિલિકોન પરમાણુઓમાંથી ત્રણ સાથે સહસંયોજક બંધ બનાવવા માટે કરે છે. ચોથો સહસંયોજક બંધ પૂર્ણ કરવા માટે, બોરોન પરમાણુ નજીકના સિલિકોન-સિલિકોન બંધમાંથી ઇલેક્ટ્રોન “સ્વીકારે છે”.
   • ચાર્જ કેરિયર્સ: ઇલેક્ટ્રોનની આ સ્વીકૃતિ સહસંયોજક બંધ નેટવર્કમાં એક હોલ (એક સકારાત્મક ખાલી જગ્યા) બનાવે છે. આ હોલ પછી ક્રિસ્ટલ લેટિસ દ્વારા ખસેડી શકે છે કારણ કે બીજા બંધમાંથી ઇલેક્ટ્રોન તેમાં કૂદી પડે છે. અશુદ્ધિ પરમાણુઓને સ્વીકારનાર અશુદ્ધિઓ કહેવામાં આવે છે કારણ કે તેઓ ઇલેક્ટ્રોન “સ્વીકારે છે”, એક હોલ બનાવે છે.
   • વાહકતા: p-પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટરમાં, હોલ્સ બહુમતી ચાર્જ કેરિયર્સ હોય છે, અને ઇલેક્ટ્રોન લઘુમતી ચાર્જ કેરિયર્સ હોય છે. વાહકતા મુખ્યત્વે આ હોલ્સની હિલચાલને કારણે હોય છે.

ડોપિંગ દ્વારા, ચાર્જ કેરિયર્સ (ઇલેક્ટ્રોન અથવા હોલ્સ) ની સાંદ્રતાને કેટલાક ઓર્ડરથી વધારી શકાય છે, જે સિલિકોનને અત્યંત અસરકારક અને નિયંત્રિત સેમિકન્ડક્ટર બનાવે છે, જે ડાયોડ્સ, ટ્રાન્ઝિસ્ટર, ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ્સ અને અન્ય ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકો માટે નિર્ણાયક છે.